專利名稱：一種用于激波管實(shí)驗(yàn)研究的界面生成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流體力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于激波管實(shí)驗(yàn)研究的界面生成裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)性質(zhì)不同的兩層流體之間的界面受到激波沖擊 作用時(shí)，界面上的擾動(dòng)會(huì)不斷增長，形成Richtmyer-Meshkov(RM)不穩(wěn)定性。該現(xiàn)象的研究具有重要的工程應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究價(jià)值，涉及慣性約束核聚變、尖端武器、航天發(fā)動(dòng)機(jī)、天體物理、湍流等諸多研究領(lǐng)域。開展激波管實(shí)驗(yàn)是研究RM不穩(wěn)定性的重要方法，其中界面生成方法一直以來都是影響實(shí)驗(yàn)精度的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，間斷面類型的界面通常采用硝化纖維膜方法形成，該方法首先將硝化纖維溶液灑在水面，待溶液中的有機(jī)溶劑揮發(fā)以后，水面上便會(huì)形成一層薄膜，用模具將薄膜取出并烘干以后，薄膜便會(huì)保持為模具的形狀并可進(jìn)一步用于實(shí)驗(yàn)研究。硝化纖維膜最初用于RM不穩(wěn)定性研究至今已達(dá)30年的歷史(參見Meshkov EE(1969),Instability of the interface of two gases accelerated by a shock wave,Fluid Dyn4 :101-404),隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的整體提高，這種界面生成方法也表現(xiàn)出一些不足，例如該方法操作繁瑣，所需附加設(shè)備多，而且配制溶液，烘干等過程導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)周期較長。需要注意的問題是硝化纖維膜經(jīng)歷了激波沖擊以后，所形成的固體薄膜碎片會(huì)跟隨流場一起運(yùn)動(dòng)，吸收界面兩側(cè)流場的能量，對流場演化晚期產(chǎn)生影響，降低實(shí)驗(yàn)精度。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種用于激波管實(shí)驗(yàn)研究中的界面生成裝置，解決目前RM不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究中氣體界面生成方法存在的問題，如實(shí)驗(yàn)過程繁瑣，對流場演化晚期干擾較大等。( 二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種界面生成裝置，用于生成激波管實(shí)驗(yàn)中所需的液體薄膜，包括頂部固定板、底部固定板、活動(dòng)板和界面附著線，其中所述頂部固定板和底部固定板相互平行并且距離固定，用于固定整個(gè)裝置，所述活動(dòng)板設(shè)置于所述頂部固定板和所述底部固定板之間，并與所述頂部固定板和所述底部固定板平行；所述頂部固定板的下表面和活動(dòng)板的上表面上各設(shè)有一個(gè)槽，所述兩個(gè)槽的位置在豎直方向上相互對應(yīng)，其形狀關(guān)于水平面對稱，用于固定所述界面附著線，所述界面附著線用于附著所述液體薄膜，所述活動(dòng)板用于使頂部固定板的下表面和活動(dòng)板的上表面的所述槽中固定的界面附著線相互接觸或分離。根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述頂部固定板上開設(shè)有注入孔，所述注入孔的中心位于所述槽的中心線上，用于將該頂部固定板的下表面上的槽與該頂部固定板的上部空間連通，以向所述槽中注入形成所述液體薄膜的液體。
根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述頂部固定板和所述活動(dòng)板中槽的寬度大于所述界面附著線的寬度，所述槽的深度大于所述界面附著線的高度。根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述槽的中心線的形狀與所述界面附著線的形狀相同。根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述活動(dòng)板的下表面與一個(gè)滑動(dòng)桿固定連接，使得所述活動(dòng)板能夠在所述滑動(dòng)桿的帶動(dòng)下沿著所述滑動(dòng)桿的軸向進(jìn)行滑動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述活動(dòng)板的下表面開設(shè)有與所述滑動(dòng)桿相對應(yīng)的沉孔，通過所述沉孔將該滑動(dòng)桿固定于活動(dòng)板。
根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，在所述底部固定板的與所述滑動(dòng)桿的對應(yīng)的位置開有通孔，以便滑動(dòng)桿可以穿過所述通孔而沿其軸向自由滑動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述滑動(dòng)桿的位于所述底部固定板的下方的位置處連接有鎖緊裝置，該鎖緊裝置能夠?qū)⑺龌瑒?dòng)桿相對于所述底部固定板鎖緊。根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述界面生成裝置安裝于一個(gè)激波管實(shí)驗(yàn)段的矩形窗中，所述頂部固定板和所述底部固定板位于激波管實(shí)驗(yàn)段的矩形窗中激波首先達(dá)到
的一端。根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，形成所述液體薄膜的液體為肥皂水。(三)有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益技術(shù)效果I、本發(fā)明的界面生成裝置的結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)置合理，并且安裝方便，因此能夠提高實(shí)驗(yàn)效率。2、本發(fā)明利用液體薄膜的形狀依賴于其邊界的特性，通過改變液體薄膜邊界的類型即可調(diào)節(jié)液體薄膜的形狀，所形成的界面便于數(shù)學(xué)建模，為相關(guān)流體力學(xué)不穩(wěn)定性的理論研究與數(shù)值模擬工作提供新的思路與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。3、本發(fā)明利用液體薄膜在激波沖擊作用下形成的液滴對流場干擾小的特性，將其用于RM不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究，既能夠保證間斷面類型的氣體界面形成，又降低了實(shí)驗(yàn)過程中流場的能量損耗，利于提聞實(shí)驗(yàn)精度。


圖I是本發(fā)明的用于激波管實(shí)驗(yàn)研究的界面生成裝置的第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的用于激波管實(shí)驗(yàn)研究的界面生成裝置在激波管中的安裝位置示意圖；圖3是圖2的A-A剖視圖；圖4是本發(fā)明的用于激波管實(shí)驗(yàn)研究的界面生成裝置的第二個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的用于激波管實(shí)驗(yàn)研究的界面生成裝置的第三個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的用于激波管實(shí)驗(yàn)研究的界面生成裝置的第四個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖7是本發(fā)明的用于激波管實(shí)驗(yàn)研究的界面生成裝置的第五個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。圖I是本發(fā)明的用于激波管實(shí)驗(yàn)研究的界面生成裝置的第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I所示，本發(fā)明的用于激波管實(shí)驗(yàn)研究的界面生成裝置包括頂部固定板I、活動(dòng)板2、底部固定板3、界面附著線6、滑動(dòng)桿4和鎖緊裝置7。頂部固定板I和底部固定板3相互平行,用于固定整個(gè)裝置。頂部固定板I與底部固定板3之間的距離固定，其間距為激波管實(shí)驗(yàn)段8的截面高度，形狀為矩形，寬度至少小于激波管實(shí)驗(yàn)段8的矩形窗的長度的一半，長度至少大于激波管實(shí)驗(yàn)段8的矩形窗的寬度。在本實(shí)施例中，頂部固定板I和底部固定板3的材料優(yōu)選為透明材料，例如有機(jī)玻璃，其間距為20mm,寬度為55. 5mm,長度為151mm。此外,頂部固定板I和底部固定板3的局部 結(jié)構(gòu)及尺寸可以根據(jù)激波管的具體結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同實(shí)際情況的需要?；顒?dòng)板2設(shè)置于頂部固定板I和底部固定板3之間，并與其平行。頂部固定板I的下表面和活動(dòng)板2的上表面上各設(shè)有一個(gè)槽，兩個(gè)槽的位置在豎直方向上對應(yīng)，形狀關(guān)于水平面對稱，所述兩個(gè)槽均用于固定界面附著線6。頂部固定板I和活動(dòng)板2中槽的寬度至少大于界面附著線6的寬度,其差值最好為0. 5 2mm,例如其為I 4mm,槽的深度至少大于界面附著線6在槽中的高度,其差值最好為I 5mm,槽的長度至少大于截面附著線6的長度，其差值最好為0. I 1_，槽的中心線形狀和界面附著線的形狀相同，可以為直線、正弦形、圓形、橢圓形、正方形或三角形等。界面附著線6用于使激波管實(shí)驗(yàn)所需的液體薄膜附著在已知形狀的邊界上。在本實(shí)施例中是一種肥皂膜附著線，其用于使肥皂膜附著在界面附著線6上，使得肥皂膜邊界的形狀與界面附著線6的形狀相同。但本發(fā)明并不限于此，界面附著線6也可以用于附著其它成分的液體薄膜。通過粘接方式將一根界面附著線6的一個(gè)側(cè)面固定于頂部固定板I的下表面的槽的側(cè)壁上，將另一根界面附著線6的相對應(yīng)的側(cè)面固定于活動(dòng)板2的上表面的槽的相對應(yīng)的側(cè)壁上。兩根界面附著線的寬度為0. 5 1mm，高度為2 4mm。在圖I所示的實(shí)施例中，界面附著線6的形狀為正弦形，其寬度為1mm，高度為3mm?；顒?dòng)板2用于使頂部固定板I的下表面和活動(dòng)板2的上表面的槽中固定的界面附著線6相互接觸或分離?；顒?dòng)板2的形狀為矩形，寬度至少小于底部固定板3的寬度，長度至少小于激波管實(shí)驗(yàn)段8的截面的寬度，活動(dòng)板2的長度與激波管實(shí)驗(yàn)段8的截面的寬度的差值最好為0. 5 1mm。在該實(shí)施例中，活動(dòng)板2的材料為有機(jī)玻璃，其寬度為50mm，長度為139mm。在頂部固定板I上開設(shè)有注入孔，注入孔的中心位于槽的中心線上，該注入孔用于將該頂部固定板I的下表面上的槽與該頂部固定板I的上部空間連通，注入孔直徑可為0. 5 2mm，個(gè)數(shù)可為2 3個(gè)，注入孔的中心位置最好在槽的中心線上均勻分布。在該實(shí)施例中，頂部固定板I具有三個(gè)直徑為I. 6mm的注入孔，并且該注入孔能夠與外部液體注入裝置相連接，所述液體注入裝置例如是肥皂水注入裝置?；顒?dòng)板2的下表面與滑動(dòng)桿4固定連接，使得該活動(dòng)板2能夠在滑動(dòng)桿4的帶動(dòng)下沿著滑動(dòng)桿4的軸向進(jìn)行滑動(dòng)。該滑動(dòng)桿4可以為一個(gè)，也可為多個(gè)，最好由金屬材料制成，其直徑在3至7mm之間。在該實(shí)施例中，滑動(dòng)桿4的個(gè)數(shù)為兩個(gè)，其同為鋼材料制成，且直徑為6_?；顒?dòng)板2與滑動(dòng)桿4之間可通過任何方式固定，在該實(shí)施例中，活動(dòng)板2的下表面上開設(shè)有與滑動(dòng)桿4的位置相對應(yīng)的沉孔，通過沉孔將活動(dòng)板2與滑動(dòng)桿4固定在一起?；顒?dòng)板2上的沉孔形狀應(yīng)與滑動(dòng)桿4的上部頂端形狀相適應(yīng)，以便將活動(dòng)板2與滑動(dòng)桿4固定。相應(yīng)的，在底部固定板3的與滑動(dòng)桿4的對應(yīng)位置開有通孔，以便滑動(dòng)桿4可以穿過通孔而沿其軸向自由滑動(dòng)，從而可帶動(dòng)活動(dòng)板2做升降運(yùn)動(dòng)。底部固定板3上的通孔直徑應(yīng)大于滑動(dòng)桿4的直徑，以便于滑動(dòng)桿4穿過通孔自由滑動(dòng)。二者的差值可為I 2_。在該實(shí)施例中，通孔直徑為7_。根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，每個(gè)滑動(dòng)桿4的桿身的位于底部固定板3的下
方的位置處連接一個(gè)鎖緊裝置7，鎖緊裝置7的用途是將滑動(dòng)桿4相對于底部固定板3鎖緊。鎖緊裝置7的直徑大于滑動(dòng)桿4的直徑，使得鎖緊裝置7可以沿滑動(dòng)桿4的軸向移動(dòng)，當(dāng)鎖緊裝置7移動(dòng)至底部固定板3的下表面時(shí)，利用摩擦力使鎖緊裝置7固定在滑動(dòng)桿4上，從而使滑動(dòng)桿4、底部固定板3以及活動(dòng)板2之間的相對位置固定。在該實(shí)施例中，鎖緊裝置7與滑動(dòng)桿4具有內(nèi)、外螺紋結(jié)構(gòu)，通過螺紋結(jié)構(gòu)將鎖緊裝置7沿滑動(dòng)桿4的軸向移動(dòng)，直至其緊密接觸底部固定板3的下表面，利用摩擦力使鎖緊裝置7自鎖，從而限制了滑動(dòng)桿4的移動(dòng)，使活動(dòng)板2固定于底部固定板3上。激波管實(shí)驗(yàn)段8是激波管的組成部分，大致呈一管狀結(jié)構(gòu)。激波管實(shí)驗(yàn)段8的側(cè)壁用于形成激波管內(nèi)的封閉空間。激波管實(shí)驗(yàn)段8的上、下兩側(cè)壁的相對位置開有兩個(gè)矩形窗，其用于安裝本發(fā)明的裝置的頂部固定板I和底部固定板3。另外，矩形窗上還安裝光學(xué)玻璃，光學(xué)玻璃用于觀察激波經(jīng)過矩形窗時(shí)的流場演化。在該實(shí)施例中，激波管實(shí)驗(yàn)段8的上、下壁的矩形窗的長度為151mm，寬度為140mm，激波管實(shí)驗(yàn)段8的截面的高度為20mm，寬度為140mm，激波管實(shí)驗(yàn)段8的側(cè)壁的高度為20mm。圖2示出本實(shí)施例中頂部固定板I和底部固定板3在激波管實(shí)驗(yàn)段8的固定位置。激波管實(shí)驗(yàn)段8的上壁的矩形窗安裝了頂部固定板I和頂部光學(xué)玻璃，其下壁的矩形窗的相對位置安裝了底部固定板3和底部光學(xué)玻璃。頂部固定板I和頂部光學(xué)玻璃以及底部固定板3和底部光學(xué)玻璃之間采用密封膠進(jìn)行密封，如圖所示，本發(fā)明的整個(gè)裝置安裝于激波管實(shí)驗(yàn)段8的矩形窗中，頂部固定板I和底部固定板3位于相對的位置并位于激波管實(shí)驗(yàn)段8的矩形窗中激波首先達(dá)到的一端。圖3是圖2的A-A剖視圖，圖3示出了本發(fā)明的裝置的活動(dòng)板2的活動(dòng)范圍，由圖可見，該范圍即為激波管實(shí)驗(yàn)段8的截面高度。在具體實(shí)施過程中，推動(dòng)滑動(dòng)桿4使活動(dòng)板2與頂部固定板I固定的界面附著線6緊密接觸。通過頂部固定板I的注入孔將肥皂液注入槽中，直至頂部固定板I和活動(dòng)板2上固定的界面附著線6均被充分潤濕，同時(shí)頂部固定板I和活動(dòng)板2的槽內(nèi)均積累一定量的肥皂液。當(dāng)兩根界面附著線6的肥皂液充分接觸以后，拉動(dòng)滑動(dòng)桿4使活動(dòng)板2降至底部固定板3。進(jìn)一步，開啟鎖緊裝置7使活動(dòng)板2固定于底部固定板3，所形成的肥皂膜即可附著于界面附著線6以及激波管實(shí)驗(yàn)段8的兩個(gè)側(cè)壁上。肥皂膜形成以后會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸變薄直至最終破裂。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本發(fā)明裝置所形成的肥皂膜在停止注入肥皂液后到肥皂膜破裂前可存在5min以上。由于激波管實(shí)驗(yàn)的時(shí)間量級為1ms，肥皂膜的持續(xù)存在時(shí)間可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。肥皂膜界面的數(shù)學(xué)建?？梢酝ㄟ^以下方式進(jìn)行，假定界面兩側(cè)壓力相等，肥皂膜界面保持極小曲面形狀，曲面上任意點(diǎn)的平均曲率為0，根據(jù)極小曲面性質(zhì)，可知(l+fy2) fxx-2fxfyfxy+(l+fx2) fyy = 0其中f (x，y)為表征極小曲面形狀的數(shù)學(xué)函數(shù)，fx，fxx為函數(shù)f (x，y)在X方向的一階與二階偏導(dǎo)數(shù)，fy，fyy為函數(shù)f (x，y)在y方向的一階與二階偏導(dǎo)數(shù)。具體地，在界面附著線為正弦形狀的圖I所示的實(shí)施例中，函數(shù)f(x，y)在波峰或波谷的位置保持I值固定，此處極小曲面形狀可近似表述為
權(quán)利要求
1.一種界面生成裝置，用于生成激波管實(shí)驗(yàn)中所需的液體薄膜，其特征在于，包括頂部固定板(I)、底部固定板(3)、活動(dòng)板(2)和界面附著線，其中 所述頂部固定板(I)和底部固定板(3)相互平行并且距離固定，用于固定整個(gè)裝置， 所述活動(dòng)板(2)設(shè)置于所述頂部固定板(I)和所述底部固定板(3)之間，并與所述頂部固定板(I)和所述底部固定板(3)平行； 所述頂部固定板(I)的下表面和活動(dòng)板(2)的上表面上各設(shè)有一個(gè)槽，所述兩個(gè)槽的位置在豎直方向上相互對應(yīng)，其形狀關(guān)于水平面對稱，用于固定所述界面附著線(6)， 所述界面附著線(6)用于附著所述液體薄膜， 所述活動(dòng)板(2)用于使頂部固定板(I)的下表面和活動(dòng)板(2)的上表面的所述槽中固定的界面附著線(6)相互接觸或分離。
2.如權(quán)利要求I所述的界面生成裝置，其特征在于，所述頂部固定板(I)上開設(shè)有注入孔，所述注入孔的中心位于所述槽的中心線上，用于將該頂部固定板(I)的下表面上的槽與該頂部固定板(I)的上部空間連通，以向所述槽中注入形成所述液體薄膜的液體。
3.如權(quán)利要求I所述的界面生成裝置，其特征在于，所述頂部固定板(I)和所述活動(dòng)板(2)中槽的寬度大于所述界面附著線(6)的寬度，所述槽的深度大于所述界面附著線(6)的高度。
4.如權(quán)利要求3所述的界面生成裝置，其特征在于，所述槽的中心線的形狀與所述界面附著線(6)的形狀相同。
5.如權(quán)利要求I所述的界面生成裝置，其特征在于，所述活動(dòng)板(2)的下表面與一個(gè)滑動(dòng)桿(4)固定連接，使得所述活動(dòng)板(2)能夠在所述滑動(dòng)桿(4)的帶動(dòng)下沿著所述滑動(dòng)桿(4)的軸向進(jìn)行滑動(dòng)。
6.如權(quán)利要求5所述的界面生成裝置，其特征在于，所述活動(dòng)板(2)的下表面開設(shè)有與所述滑動(dòng)桿(4)相對應(yīng)的沉孔，通過所述沉孔將該滑動(dòng)桿(4)固定于活動(dòng)板(2)。
7.如權(quán)利要求5所述的界面生成裝置，其特征在于，在所述底部固定板(3)的與所述滑動(dòng)桿(4)的對應(yīng)的位置開有通孔，以便滑動(dòng)桿(4)可以穿過所述通孔而沿其軸向自由滑動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的界面生成裝置，其特征在于，所述滑動(dòng)桿(4)的位于所述底部固定板(3)的下方的位置處連接有鎖緊裝置(7)，該鎖緊裝置(7)能夠?qū)⑺龌瑒?dòng)桿(4)相對于所述底部固定板(3)鎖緊。
9.如權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的界面生成裝置，其特征在于，所述界面生成裝置安裝于一個(gè)激波管實(shí)驗(yàn)段(8)的矩形窗中，所述頂部固定板(I)和所述底部固定板(3)位于激波管實(shí)驗(yàn)段(8)的矩形窗中激波首先達(dá)到的一端。
10.如權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的界面生成裝置，其特征在于，形成所述液體薄膜的液體為肥皂水。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生成激波管實(shí)驗(yàn)中所需的液體薄膜的界面生成裝置，包括頂部固定板、底部固定板、活動(dòng)板和界面附著線，其中頂部固定板和底部固定板相互平行并且距離固定，用于固定整個(gè)裝置，活動(dòng)板設(shè)置于所述頂部固定板和所述底部固定板之間，頂部固定板的下表面和活動(dòng)板的上表面上各開有一個(gè)槽，兩個(gè)槽的位置在豎直方向上相互對應(yīng)，其形狀關(guān)于水平面對稱，用于固定界面附著線，界面附著線用于附著所述液體薄膜，活動(dòng)板使兩個(gè)界面附著線相互接觸或分離。本發(fā)明的整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡單合理、安裝方便，因此能夠提高實(shí)驗(yàn)效率。
文檔編號(hào)G01M9/00GK102759439SQ201210213439
公開日2012年10月31日 申請日期2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月26日
發(fā)明者王顯圣, 羅喜勝 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)